インダストリアル4.0の推進により、産業オートメーション改革は現代の工場の運営モードを徹底的に変え、急速に変化する市場のニーズを満たすより柔軟なシステムを提供しています。この記事では、インダストリアル4.0の最新の開発動向を紹介し、ADIが導入した総合的なインダストリアル4.0ソリューションの主要製品について説明します。
変化する要件に迅速に適応できる柔軟なシステム
インダストリアル4.0の出現により、消費者の行動やニーズも変化しました。したがって、製造業者は変化する要件に迅速かつ容易に適応できる、より柔軟なシステムを必要としています。その結果、大量市場向け製品や予測可能な需要向けに設計された固定された大規模システムに頼ることはできなくなり、代わりに、最小限のダウンタイムと資本投資で迅速に再構成できる柔軟なシステムが必要になります。
インダストリアル4.0の導入は、あらゆる近代的な工場の運営に広がっています。エッジからクラウドコンピューティング、分析、ソフトウェア構成可能なシステムなどの主要な技術進歩の助けを借りて、生産性、柔軟性、セキュリティが大幅に向上することが期待されます。インダストリアル4.0の中核は、ビッグデータを通じて利益を上げ、生産性と効率性をさらに向上させることです。工場設備からさまざまなデータを確実に取得することで、状態基準監視や予知保全などの高度な機能をサポートし、工場設備やプラントの産業運用やメンテナンスのあり方を変えることができます。
ADIはインダストリアル4.0アプリケーションの開発に楽観的であり、ソフトウェアI/O、イーサネット接続、状態基準監視 (CbM)、プログラマブル ロジック コントローラ (PLC)、分散制御システム (DCS) など、さまざまな関連ソリューションを導入しています。非常に包括的なソリューションが揃っています。関連する技術開発と主要製品の機能特性は以下のとおりです。
ソフトウェアで構成可能なハードウェアが産業用I/Oモジュールの柔軟性を実現
プロセス制御設備や産業オートメーション システムに使用されるかどうかにかかわらず、I/Oモジュールやフィールド ジャンクション ボックスには、製品ライフサイクル全体にわたってさまざまな固有の課題があります。製品管理では、各製品にいくつのチャネルが必要で、どのような組み合わせが必要かを決定する必要があります。電子設計者は、プロジェクト内のさまざまなアナログ信号またはデジタル信号に対して最高のパフォーマンスとコスト効率に優れたシステムを実装する方法を決定する必要があります。設置技術者は、さまざまな製品と多数の配線方式に圧倒される可能性があります。ADIの新しいソフトウェア構成可能入出力 (SWIO) IC製品ファミリは、文字通りあらゆる機能とあらゆる組み合わせをいつでもあらゆるピンでサポートすることで、この目標を達成します。SWIOコンポーネントを使用すると、チャネルを入力または出力としてだけでなく、アナログまたはデジタルとしてもプログラムできます。さらに、2線式または3線式のRTDまたは熱電対の読み取り用に効率的に設定できます。
ADIのクアッド チャネルSWIOデバイスAD74413Rを例に挙げてみましょう。これは、プロセス制御、工場自動化、またはビル制御アプリケーションに対応するように設計されており、産業用入出力操作用の完全に統合されたモノリシック ソリューションです。AD74413Rには、アナログ出力、アナログ入力、デジタル入力、抵抗温度検出器 (RTD)、熱電対測定の機能が含まれています。これらの機能は、シリアル ペリフェラル インターフェイス (SPI) を介して単一チップ ソリューションに統合されています。
AD74413Rは、16ビットのシグマデルタ (∑-Δ) ADCと4つの13ビットDACを搭載しており、-40°C ～ +105°Cの動作温度範囲をサポートする9 mm × 9 mm、64ピンLFCSPパッケージで提供されます。各チャネルは、クロックが最大24 MHzになるSPIバスを介して構成レジスタに書き込むことによって構成されます。ユーザーは、AD74413Rレジスタ マップを使用して、各動作モードのデフォルト構成を調整できます。
AD74413Rはさまざまなモードを提供できます。これらのモードは、電圧出力、電流出力、電圧入力、外部電源電流入力、ループ電源電流入力、外部RTD測定、デジタル入力ロジック、およびループ電源デジタル入力です。AD74413Rには、DACとADCを駆動するための高精度2.5V内部リファレンス電圧源が含まれています。
10BASE-T1Lネットワークは工場の運用モードの変革の重要な推進力
100BASE-TX/10BASE-Tに基づく既存の産業用イーサネット ソリューションは、最大100 Mbの高データ帯域幅と、PoE対応のCat-5またはCat-6eケーブルによる電力供給を提供しますが、距離は100 mに制限されており、高電力ソリューションであるため危険区域での使用には対応していません。
2019年11月にIEEE 802.3cg規格が批准されたことにより、工場のオペレータがネットワークのエッジでデバイスを接続するための新しい、劇的に異なる方法が導入され、従来の4 mA ～ 20 mAおよびHART® 通信インターフェイスに基づくインフラストラクチャの制約から解放されました。802.3cg規格は、10BASE-T1Lとも呼ばれ、産業用イーサネット ネットワーク プロトコルの一種です。これは、工場の最前線でサービスを提供する基本的な運用デバイス (センサー、バルブ、アクチュエーター、および制御) と、新しいスマート ファクトリーのインテリジェンスが実現されるビットとバイトの金庫であるエンタープライズ データとの間の障壁を打ち破る方法を提供します。10BASE-T1Lネットワーキングは、工場運営に対するデータと分析主導のアプローチへの全体的な変革を実現する重要な手段となる予定です。
ADIの10BASET1L PHY-ADIN1100は、産業用イーサネット アプリケーション向けの低電力シングル ポート10BASE-T1Lトランシーバーです。消費電力はわずか39 mWで、長さ1000メートルを超える単一のツイストペア上で低電力イーサネット接続を実現できます。シングルペアPower over Ethernet (SPoE) またはエンジニアリング電源ソリューションを10BASE-T1L PHYと組み合わせると、単一のツイストペア ケーブルを介して電力とデータを提供できるようになります。
ADIN1100はIEEE 802.3cgイーサネット規格に準拠しており、長距離10 Mb/sシングルペア イーサネット アプリケーションをサポートします。このデバイスには、イーサネットPHYコア、関連するすべてのアナログ回路、入力および出力クロック バッファリング、管理インターフェイス制御レジスタ、サブシステム レジスタ、およびリセットとクロック制御とピン構成を管理するためのMACインターフェイスと制御ロジックが統合されています。
ADIN1100コアは、標準で定義されている1.0V p-p動作モードと2.4V pp動作モードをサポートします。1.8Vまたは3.3Vの単一電源レールで電源を供給でき、低電圧オプションを提供し、1.0V p-p送信電圧レベルをサポートします。ADIN1100は6 mm × 6 mm 40ピン パッケージに収められており、電源監視回路とパワーオン リセット回路を統合しているため、システム レベルの安定性が向上します。
状態基準監視はセンサーを使用して機械や資産の状態を測定します
状態ベースモニタリング (CbM) では、センサーを使用して現在の健全性状態を測定し、機械や資産を監視します。予測保守 (PdM) では、将来の資産保守サイクルや起こりうる障害を予測するために、CbM、機械学習、分析を組み合わせる必要があります。CbMの開発動向に関しては、保守・設備管理者にとって、ワイヤレス デバイスや低コストの高性能デバイスなどの新しい選択肢が生まれています。ほとんどのCbMシステムのインフラストラクチャは変更されていませんが、これまでは主に圧電センサーを使用していたシステムや、コストの障壁のために監視されていなかったシステムに、新しいMEMSテクノロジーを直接統合できるようになりました。
ADIが発表したADXL1002は、アナログ出力を備えた単平面軸加速度計です。このMEMSセンサーは、2つのフルスケール範囲オプションを備えた拡張周波数範囲で超低ノイズ密度を提供し、産業条件向けに最適化された監視機能を提供します。ADXL1002 (± 50gの場合、典型的なノイズ密度は25 μg/√Hzです。この加速度計デバイスは、最大10,000 gの外部衝撃に耐える、安定した再現性のある感度を備えています。
ADXL1002には、完全な静電セルフ テスト (ST) 機能とオーバーレンジ (OR) インジケータが統合されており、高度なシステム レベル機能を実現し、組み込みアプリケーションに役立ちます。ADXL1002は低消費電力で3.3 V ～ 5.25 Vの単電源動作を実現しており、ワイヤレス センシング製品の設計も可能になります。ADXL1002は5 mm × 5 mm × 1.80 mm LFCSPパッケージで提供され、-40°C ～ +125°Cの温度範囲での動作が定格となっています。
MEMSセンサーは低コストでかなり優れたパフォーマンスを提供できます。ADXL1002のSNRは83 dBです。ただし、圧電センサーと比較すると、コストは10倍以上低くなります。MEMSセンサーは現在、最高性能の圧電センサーを除くすべてのセンサーを置き換えることができ、コストも非常に低くなっています。
産業用PLCとDCSにはEquipment構成の柔軟性が求められる
PLCはマイクロプロセッサを搭載したデジタル電子機器です。自動制御用のデジタルロジックコントローラです。制御命令をメモリにロードして、いつでも保存および実行できます。DCSは、工場やプロセスで使用されるコンピュータ化された制御システムです。一般的に、制御ループは複数あります。自律型コントローラーは、中央オペレータによる監視なしにシステム内に分散しています。プロセス制御や工場自動化における産業用PLCやDCSの場合、エンド カスタマーやアプリケーションの要件は異なり、産業システムがますます分散化されるにつれて、容量、構成可能性、効率性に対する要件も高まっています。
ADIが発表したAD4114/AD4115は、低消費電力、低ノイズの24ビット シグマ デルタ (∑-Δ) アナログ/デジタル コンバータ (ADC) の2種類で、アナログ フロント エンド (AFE) を統合し、完全差動またはシングルエンドの高インピーダンス (≥1 MΩ) およびバイポーラ ±10 V電圧入力をサポートします。AD4114/AD4115は主要なアナログおよびデジタル信号調整モジュールを統合し、使用中の各アナログ入力チャネルに対して8つの独立したセットアップを構成できます。完全に安定したデータの場合、AD4114の最大チャネル スキャン レートは6.21 kSPS (161 μs) ですが、AD4115の最大チャネル スキャン レートは24,845 kSPS (40.25 μs) です。
AD4114/AD4115には、2.5V低ドリフト (±5 ppm/℃) バンドギャップ内部リファレンス電圧源 (出力リファレンス バッファ付き) が組み込まれており、外部コンポーネントの数を削減します。AD4114/AD4115のデジタル フィルタは、27.27 SPSの出力データ レートで50 Hzと60 Hzを同時に除去するなど、柔軟な設定を提供します。ユーザーは、アプリケーション内の各チャネルの要件に応じて、異なるフィルター設定を選択できます。自動チャネル シーケンサーにより、ADCは有効な各チャネルを切り替えることができます。
AD4114/AD4115の高精度なパフォーマンスは、ADI独自のiPassives® テクノロジーを統合することで実現されています。AD4114/AD4115は工場で校正されており、指定された高精度のパフォーマンスを実現できます。AD4114/AD4115は単一電源で駆動されるため、ガルバニック絶縁のアプリケーションが簡素化されます。AD4114/AD4115は、40ピン、6mm × 6mm LFCSPパッケージで提供され、定格動作温度範囲は -40℃ ～ 105℃ です。
結論
消費者の行動や期待の変化、カスタマイズや納期の短縮に対する需要の増加により、製造業者は業務運営方法の変更を余儀なくされており、インダストリアル4.0はこうした変化する傾向に対処するソリューションです。ADIは、インダストリアル4.0のニーズに応じて、さまざまな対応ソリューションを導入しています。製品ラインの数が多いため、この記事ではいくつかの製品にのみ焦点を当てることができます。関連製品の詳細については、ADIの公式Webサイトをご覧ください。